衛星地面站供電設計分析

蔡祥梅，王新榮

（航天恒星科技有限公司，北京 100095）

0 引 言

隨著中國航天事業的蓬勃發展，許多國家在中國的幫助下發射衛星并建立衛星地面站。供電系統為整個衛星地面站提供運行所需的能量來源。不同的國家供電標準和環境都不相同，文章主要探討和分析如何在不同環境和條件下提高供電設計的可靠性和提高供電效能，進一步優化衛星地面站供電問題設計和配置，最大限度地減少因供電問題造成的地面站運行中斷的損失。

1 衛星地面站供電設計組成

衛星地面站系統的供電設計主要分為供電輸入端、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）和負載輸出端3 部分。

1.1 供電輸入端設計

輸入端采用兩路獨立市電和柴油發電機并列輸入的模式。在市電輸入不穩定的情況下，提供兩路獨立的市電輸入，提高輸入的穩定性。同時，配置柴油發電機，在市電斷電的情況下及時啟動柴油發電機柴油發動機為衛星地面站供電。由于柴油發電機長期使用會損耗過大增加故障率，只能應急使用。輸入用電不僅需要考慮設備的供電，還要考慮空調照明等輔助設施的供電，因此在實際供電需求上預留一定的冗余。

1.2 UPS 設計

UPS 是衛星地面站供電系統中非常重要的設備，目前已有的海外衛星地面站設備配備在線式UPS。UPS 具有穩壓穩頻的作用，可以凈化電網中的諧波和脈沖，輸出相對穩定且高質量的交流電供衛星地面站的天線和其他設備使用。在線式UPS 一個很大的優點是市電斷電時電池放電的轉換時間為0，在市電突然中斷而柴油發動機沒有及時啟動的情況下，可以實現無間斷供電[1-2]。

因為天線驅動和啟動功耗較大，對電路中其他設備產生一定的影響，所以為衛星地面站天線配備獨立的UPS。

1.3 輸出端設備類型

與一般數據處理中心不同，衛星地面站的輸出端終端設備主要分為天線、地面站設備和機房輔助設備3 類。天線主要包括天線驅動和天線配套設備（三相供電）；地面站設備包括功放、跟蹤接收機、變頻器等接收變頻設備以及其他數據處理設備；機房輔助設備包括機房空調、照明裝置、除塵裝置等輔助設備。

目前衛星地面站供電設計中，機房設備根據《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）的要求，按數據中心B 級機房設計，采用N+1 架構。天線系統由UPS 獨立供電，地面站設備由UPS 備份供電，輔助設備由市電直接供電。衛星地面站供電拓撲如圖1所示[3]。

圖1 衛星地面站供配電設計拓撲

2 存在的問題

在市電供電良好的情況下，目前的衛星地面站系統供電設計可以有效保障衛星地面站24 h 不間斷工作。但是在市電供電環境比較惡劣的情況下，目前供電設計存在的一些問題逐漸顯現出來。

2.1 UPS 冗余備份方式有待有待優化

地面站雖然采用N+1模式，由市電供電雙路供電，關鍵設備的UPS 有冗余備份設計，但是整個供電電路在邏輯上和物理上沒有完全備份。這種雙電源單回路設計方式存在很大的單點故障風險，如果并機UPS系統出現問題，會造成整個衛星地面站的系統癱瘓。

2.2 UPS 配置設計有待提升

2.2.1 UPS 輸出諧波過大

衛星地面站大多設備采用UPS 供電，因此提升UPS 的性能和功能是優化衛星地面站供電設計中的關鍵環節。目前衛星地面站UPS 一般選用12 脈沖UPS工頻機。據統計，12 脈沖整流輸入功率因數不超過0.9，諧波電流可以高達基波電流的20%，如果是2臺工頻UPS 并聯運行，諧波含量更高。在目前衛星地面站供電設計中，為機房設備供電的UPS 都是并聯運行。在某海外衛星地面站，采用工頻12 脈沖并聯運行的UPS 系統輸出電流總諧波失真率（Total Harmonic Distortion，THDi）為25%[4]。

在某衛星地面站天線輸入端使用電能質量分析儀長期監測發現，在正常供電情況下，電壓諧波總畸變率在10%左右，超出標準允許范圍。

對于天線驅動這種敏感設備，不穩定的輸出和過大的諧波直接影響設備的正常工作和運行，進而影響整個系統的正常運行[5]。

2.2.2 UPS 容量配置過大

設計師在選擇UPS 時存在一個誤區，誤認為UPS 冗余越大越好，實際上負載率越低，功率因數越低，整個電路中的諧波也越大[6]。在UPS 實際設計中，設計師根據衛星地面站設備的額定功率來計算UPS容量需求，并且預留20%左右的余量。對于天線等感性負載，由于驅動電流較大，實際預留的余量更多。

設計衛星地面站系統時，重要敏感設備必須熱備份。地面應用系統的特點是接收數據任務時處于正常運轉狀態，其他情況下使用率相對較低，這些特點決定地面站設備實際使用功耗遠低于額定功耗要求。

為測試實際功耗比，對某衛星地面站機房中的5 個系統20 個機柜進行為期7 d 的測試，實測功耗值取該系統業務正常運行的數值，實際使用功耗與額定功耗占比如表1 所示。

表1 某衛星地面站不同系統機房設備實際使用功耗與額定功耗占比

根據表1 數據，5 個系統的實測功耗在額定功耗的平均占比約為26.2%。同時，統計分布在不同國家不同類型的衛星地面站UPS 實際使用功耗，選取最典型的衛星地面站設備UPS 容量配置數據進行分析，統計結果如表2 所示。

表2 典型衛星地面站設備UPS 容量配置數據

由表2 可知，不同類型的典型地面站設備UPS平均使用率為22.8%，實際所需UPS 容量小于UPS容量的1/4。由此表明，根據設備額定功耗計算UPS的容量需求會產生很大的誤差，導致UPS 使用率較低。UPS 配置過大不僅浪費供電資源，而且電池和設備本身占用空間較大，對地面站的機房資源也是一種浪費。

3 設計優化分析

3.1 供電設計優化

為改善衛星地面站現有的供電設計缺陷，進一步提高地面應用系統的供電可靠性，優化UPS 配置模式，UPS 供電設計模式從N+1 模式變為2N模式。即衛星地面站的設備由兩路獨立的UPS 供電，進一步完善供電的備份設計。

3.1.1 完全備份（2N模式）供電設計

在供電環境一般的地區，市電供電不太穩定的國家和地區，提供兩路獨立的市電和柴油發動機為兩路UPS 供電，設備供電從輸入端開始由兩路完全獨立的電路互為備份。完全備份（2N模式）供電設計具體方案如圖2 所示。輸入端提供兩路獨立的市電供電，并且提供2臺獨立的柴油發動機（以下簡稱柴發），分別為設備UPS 提供兩路獨立的供電。市電1 和柴發1 為UPS1提供輸入，UPS1輸出到設備機房設備機柜PDU1和相關射頻設備；市電2 和柴發2 為UPS2提供輸入，UPS2輸出到設備機柜PDU2和相關射頻設備。同時，市電1 和柴發1 為天線UPS 提供輸入，市電2和柴發2 為天線提供備份輸入。從輸入端到輸出端，每一路設備都有兩路在物理上和邏輯上完全獨立的電路，做到完全備份設計。

圖2 完全備份（2N 模式）供電設計拓撲

對于單電源設備，配置相應容量的靜態轉換開關（Static Transfer Switch，STS），STS 切換時間在10 ms 以內，可以實現雙路供電不間斷切換，供電設計拓撲如圖3 所示。

圖3 單電源供電設備供電設計拓撲

與傳統的供電設計相比，設備供電從之前的一路變成雙路獨立備份供電，UPS 配置數量并不需要增加，由此減少并機UPS 系統單點故障風險。兩路UPS為完全獨立設計，盡量采用不同品牌的UPS 提升供電安全系數。同時，單電源設備增加STS，保證終端供電的安全性。此外，在市電環境極其惡劣的國家和地區，可以將主路UPS 的STS 設置為關閉模式，當主路UPS 出現故障，直接切換為備路UPS 供電，減少市電或柴油發動機波動過大引起的設備故障風險。

3.1.2 輸入端外備份（2N模式）供電設計

供電設計方案要因地而異，一些國家和地區電力比較緊張，并不具備提供兩路獨立市電供電的能力，只能一路供電。為避免互相影響，天線、設備和空調應配置獨立的供電模塊分開供電。除輸入端變成一路市電和柴發外，仍然有兩路獨立的UPS 為設備供電。UPS1輸出到設備機房設備機柜PDU1和相關射頻設備；市電2 和柴發2 為UPS2提供輸入，UPS2輸出到設備機柜PDU2和相關射頻設備。輸入端外備份（2N模式）供電設計如圖4 所示。

圖4 精簡模式計供電設計拓撲

3.1.3 精簡模式供電設計

在供電環境相對平穩的情況下，市電供電相對較好，每個月停電時間不超過5 次，并且每次停電時間不超過0.5 h。這種情況下為衛星地面設備配置兩路獨立的供電，其中一路備份供電由市電直接提供，精簡UPS 設計。精簡模式供電設計原理如圖5 所示。在市電相對穩定的情況下，設備仍然有兩路供電，一路經過UPS 供電，避免UPS 系統問題引起電路中斷。這種設計的優點是可以減少UPS 的配置，當UPS 出故障時設備可以直接從市電供電[7]。此外，所有的空調都直接采用市電供電，不需要配置UPS。整個衛星地面站供電僅配置2 套UPS，同樣可以保障衛星地面站的供電安全。

3.2 UPS 配置優化

3.2.1 UPS 性能優化

UPS 的性能由負載設備的使用要求決定，因此配置UPS 時需要詳細了解負載的供電性能要求。例如，天線作為非線性負載，不同的天線驅動器供電要求也完全不同，不僅對供電電壓變化范圍和頻率變化范圍有較高的要求，對電壓諧波和電流諧波也有較高的要求。

目前國內外的航天發射場和衛星地面站供電設計中，高頻UPS 逐漸取代工頻UPS，在衛星地面站的供電設計中占主導地位。其主要原因是高頻機輸出諧波小，電能質量較好。高頻機UPS 一般輸出THDi小于5%，對衛星地面站中供電質量要求很高的設備也能滿足要求。地面站設計時選擇一體化的高頻機UPS，可以有效改善衛星地面站供電質量，提升工作效能。對于天線等敏感設備，可以加上輸出變壓器，有效隔離輸入端電網異常沖擊。此外，根據《民用建筑電氣設計標準》（GB 51348—2019），工頻UPS配置柴油發動機容量需求較大，高頻UPS 配置柴油發動機容量相對較小。據統計，100 kW 容量的高頻機要與100 kW 容量的工頻機相比，每年節約5×104kW·h 電能。因此，無論是提高電能質量還是降低能耗并提升供電效能，高頻UPS 更適合在衛星地面站供電系統中使用。

高頻機UPS 既有一體式結構，也有模塊化結構，建議設計地面站時根據地面站的特點，后續有擴容需求時選擇模塊化UPS，沒有擴容需求時選擇一體化UPS。

3.2.2 UPS 容量設計優化

UPS 配置過大不僅浪費供電資源，也浪費衛星地面站的機房資源。合理配置地面站UPS 的容量，要準確統計衛星地面站的功耗。目前功耗統計都是按額定功耗來計算。

一般來說，設備額定功率是負載長時間工作時，對外輸出功率的最大值，地面站機房設備在使用時，實際功耗跟額定功耗有很大的差異。一方面，很多業務并不是一直處于高運行狀態，相應的設備也就不處于滿負荷工作狀態。另一方面，部分設備屬于備份設備，雖然跟主設備同步運行，但不需要處理數據，導致實際使用功耗遠遠小于額定功耗。在后續衛星地面站供電設計中，設備額定功耗精細統計，熱備份設備的功耗在額定功耗上乘以0.3 系數比例作為調整。

4 結 論

衛星地面系統供電設計要結合當地的供電情況，深入了解不同地面站的設計需求后，合理地設計供配電設計方案。通過多個地面站的設計和運行測試發現，改變地面站的供電設計，提升地面站的供電可靠性是非常必要的。供電設計在保證安全的基礎上，盡可能的提升供電系統的可靠性和使用效能，使整個供電系統處于一個簡約，高效的良性循環。